由于硫的导电性差、反应动力学慢，以及中间多硫化物在常用电解液中的溶解等缺点，严重阻碍了室温钠硫电池的实际应用。
有鉴于此，香港城市大学Andrey L. Rogach，Denis Y. W. Yu报道了以2，5-噻吩二甲酸和1，4-二(吡啶-4-基)苯为配体的新型3DZn基金属有机骨架为原料，制备了具有3D管状孔的S，N掺杂多孔炭基质。活性硫由新型3DZn-MOF(Zn(TPA)(Bpyb))衍生的S，N掺杂管状多孔碳载体包裹，然后再由多多巴胺(PDA)衍生的N掺杂碳包裹。
文章要点
1）研究人员首次以tpa和bpyb为配体，采用溶剂热法合成了三维单晶Zn-MOF(平均尺寸约1 mm)，并对其晶体结构进行了表征。每个Zn(II)离子与来自三个不同tpa2−配体的四个氧原子和来自两个不同bpyb配体的两个氮原子六配位。这些构建块向外延伸，形成3D网络。然后用热回流法制备了微米级Zn(TPA)(Bpyb)，其具有与单晶Zn-MOF相同的晶体结构，并以此为前驱体，通过气相渗硫和碳化转化为ZnS/C复合材料。通过HCl处理去除了ZnS，得到MOF-C/S复合材料。为了进一步限制硫，在Zn-MOF上涂覆了PDA，然后进行了与上述相同的硫化/ZnS脱除工艺，得到了MOF-C/S/PDAC复合材料。
2）用SEM和TEM对Zn-MOF微晶及其碳硫复合材料的形貌进行了表征。Zn-MOF微晶呈片状，平均长度约为2.5µm，厚度约为260µm。硫化过程后，ZnS/S/C中间产物(来源于Zn-MOF)形成具有大量孔洞的微片，周围分布着一些ZnS颗粒，相反，由PDA包覆Zn-MOF制备的ZnS/S/C/C复合材料表面平坦，ZnS颗粒较小，且表面相对光滑，没有明显的空洞。在去除ZnS之后，MOF-C/S复合材料的微片形貌保持不变， EDS元素图可以看出，C、S和N均匀分布。同时，与MOF-C/S复合材料相比，MOF-C/S/PDAc复合材料的硫含量增加。硫含量的增加是由于N掺杂碳层的包裹，进一步促进了硫的掺入。相比之下，S，N掺杂碳主体与N掺杂碳包裹的复合材料(记为MOF-C/PDAc)具有类似于MOF-C/S/PDAC的平坦表面；从元素分析可知，MOF-C/PDAc复合材料中硫和氮的掺杂量分别为3 wt%和6 wt%。
3）当作为钠硫电池正极测试时，复合电极具有优异的性能，0.1 A g-1循环100次后的可逆容量为467 mAh g-1（1262 mAh g-1 (sulfur))，1 A g-1下循环1000次后的可逆容量为270 mAh g-1，并具有优异的倍率性能(5.0 A g-1时为201 mAh g-1)。
4）研究人员分析了复合电极具有优异性能表现的原因。首先，从以TPA和bpyb为配体的三维Zn-MOF中得到的S，N共掺碳基质不仅提供了一个高度多孔的结构来包裹硫，而且降低了多硫化钠的吸附能，从而保证了其有效的包埋。其次，气相渗透法的使用确保了共价限制的硫在碳基体中的均匀分布，从而防止了电化学反应过程中可溶性Na2S8的形成。第三，N掺杂碳层的额外包裹使复合材料中的硫含量从6 wt%大幅度提高到37 wt%，有效地限制了高温下的硫含量。
Fengping Xiao, et al, Covalent Encapsulation of Sulfur in a MOF-Derived S, N-Doped Porous Carbon Host Realized via the Vapor-Infiltration Method Results in Enhanced Sodium–Sulfur Battery Performance, Adv. Energy Mater. 2020,
DOI: 10.1002/aenm.202000931
https://doi.org/10.1002/aenm.202000931
